王兵，賴云飛，單志愿，許能才，李文鵬

（合眾新能源汽車有限公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314500）

電泳工藝作為車身涂裝主要環(huán)節(jié)之一，電泳涂層的各項(xiàng)指標(biāo)不僅關(guān)乎車身防腐，其外觀粗糙度對(duì)后序涂層質(zhì)量也有明顯影響，對(duì)緊湊型B1B2工藝外觀的影響尤其更大。隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，節(jié)能減排、降低環(huán)境污染成為涂裝工藝的主要改善方向之一，與傳統(tǒng)3C2B工藝相比，緊湊型B1B2工藝壓縮了中涂工藝，減少了VOC(揮發(fā)性有機(jī)物)排放，降低了設(shè)備能耗，且外觀優(yōu)良，因此已被越來越多的主機(jī)廠所采用。而電泳粗糙度是影響面漆涂層短波及 DOI(鮮映性)的主要因素之一，為獲得良好的面漆外觀，一般要求電泳粗糙Ra< 0.3 μm。本文研究了采用硅烷工藝前處理的電泳過程中，硅烷溫度、硅烷銅離子含量、硅烷活化點(diǎn)、電泳槽液循環(huán)壓力、電泳溶劑含量、電泳電壓、電泳溫度等因素對(duì)電泳粗糙度的影響，并研討了改善電泳粗糙度的方法。

1 硅烷薄膜前處理、電泳工藝流程簡(jiǎn)介

根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，要想降低白車身板材對(duì)電泳粗糙度的影響，一般將白車身板材粗糙度控制在0.7 ~1.0 μm，這既保證了沖壓施工性，同時(shí)兼顧涂裝電泳漆膜的質(zhì)量。在此前提下，從某新能源主機(jī)廠實(shí)際應(yīng)用的硅烷薄膜體系著手，就硅烷工藝對(duì)電泳粗糙度的影響進(jìn)行了驗(yàn)證。

硅烷薄膜前處理及電泳工藝流程為：手工預(yù)清理→洪流熱水洗→預(yù)脫脂→脫脂→水洗→純水 1→硅烷→純水2→純水3→瀝水→電泳→超濾1→超濾2→純水4。

2 粗糙度的影響因素

結(jié)合前處理電泳參數(shù)，列出可能影響粗糙度的參數(shù)及其范圍，見表1。

表1 前處理電泳工藝參數(shù)范圍Table 1 Range of pretreatment and electrophoresis parameters

計(jì)劃將前處理參數(shù)保持在一定范圍內(nèi)，第一步先對(duì)電泳槽液參數(shù)進(jìn)行調(diào)整驗(yàn)證，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，固定電泳參數(shù)后再調(diào)整硅烷參數(shù)，進(jìn)行二次驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證過程中，固定相同的工序流程，減少不必要的變量，步驟如下：

(1) 采用同批車身材料相同的冷軋板，測(cè)得其粗糙度為1.0 μm，取樣尺寸為70 mm × 150 mm。

(2) 按照硅烷前處理工藝流程處理后，在同一工作環(huán)境下模擬電泳小槽進(jìn)行電泳。

(3) 模擬電泳后取出，用純水沖洗1 min。

(4) 放入同一烤箱內(nèi)，在180 °C下烘烤20 min。

(5) 使用Mahr PS1的粗糙度檢測(cè)儀，在17.5 mm的取樣長(zhǎng)度下測(cè)量車身外表面，固定點(diǎn)位置。

3 電泳工藝對(duì)粗糙度的影響

3.1 電泳一段電壓對(duì)粗糙度的影響

按前期調(diào)試確認(rèn)的電壓及時(shí)間進(jìn)行調(diào)整驗(yàn)證，一段工藝時(shí)間為30 s，二段為150 s，二段電壓穩(wěn)定在290 V，通過調(diào)整一段電壓分別為180、160、140、120和100 V，驗(yàn)證一段電壓對(duì)電泳涂層粗糙度的影響，粗糙度測(cè)量結(jié)果見圖1。

圖1 不同一段電壓下的電泳粗糙度Figure 1 Roughness of electrophoretic coatings prepared at different first-stage voltages

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二段電壓不變的前提下，粗糙度隨著一段電壓的降低而呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢(shì)。這個(gè)現(xiàn)象與一段電壓形成的電泳膜厚有關(guān)。一段電壓過高，電泳上膜速度相對(duì)較快，一段上膜階段膜厚增大，對(duì)板材填充過快，導(dǎo)致粗糙度升高；一段電壓過低，則電泳上膜速度相對(duì)變慢，一段上膜階段膜厚減小，對(duì)板材的填充性較差，導(dǎo)致粗糙度升高，二段啟動(dòng)后成膜速率不變。此兩種情況均會(huì)造成電泳涂層粗糙度增大，故一段適宜的電壓為140 V。

3.2 電泳二段工藝時(shí)間驗(yàn)證

在穩(wěn)定一段電壓為140 V和二段電壓290 V的情況下，通過調(diào)整電泳一段和二段工藝時(shí)間比例進(jìn)行驗(yàn)證，在總電壓、時(shí)間不變的前提下，驗(yàn)證一段與二段電泳時(shí)間對(duì)電泳涂層粗糙度的影響，結(jié)果見表2。調(diào)整電泳一、二段工藝時(shí)間，電泳涂層粗糙度波動(dòng)較小。為保證車身成膜厚度，最佳時(shí)間為：一段30 s，二段150 s。

表2 電泳不同時(shí)間的粗糙度Table 2 Roughness of coatings prepared by electrophoresis for different time

3.3 電泳溫度驗(yàn)證

在固定電泳工藝電壓及時(shí)間的情況下，即一段電壓140 V、時(shí)間30 s，二段電壓290 V、時(shí)間150 s，梯次升高調(diào)整電泳槽液的溫度，驗(yàn)證電泳溫度對(duì)電泳涂層粗糙度的影響，結(jié)果如圖2所示。隨電泳槽液溫度升高，電泳涂層粗糙度呈降低趨勢(shì)，因溫度越高則車身成膜速度越快。為保證車身膜厚在大于18 μm、小于25 μm的范圍內(nèi)，最佳溫度為32 °C。如溫度高于32 °C，槽液內(nèi)的溶劑用量會(huì)增加，車身外表面膜厚增大，導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高。

圖2 不同溫度電泳的粗糙度Figure 2 Roughness of electrophoretic coatings prepared at different temperatures

3.4 電泳溶劑含量

固定電泳工藝一段電壓和時(shí)間分別為140 V、30 s，二段為290 V、150 s，電泳溫度為32 °C，通過調(diào)整電泳槽液中溶劑的含量，考察其對(duì)粗糙度的影響，結(jié)果見圖3。溶劑含量的提高在一定程度上起到促進(jìn)電泳漆膜流平的作用，電泳漆膜的粗糙度隨之降低，但溶劑含量超過一定范圍后，對(duì)粗糙度將無改善作用。建議溶劑含量控制在 0.5%，因?yàn)槿軇┖吭礁?，揮發(fā)得越快，尤其是對(duì)于產(chǎn)量較小的企業(yè)，溶劑含量可以適當(dāng)降低。

圖3 不同溶劑含量下電泳的粗糙度Figure 3 Roughness of electrophoretic coatings prepared with different solvent contents

3.5 電泳最佳參數(shù)

經(jīng)過上述驗(yàn)證，確定電泳最佳工藝參數(shù)為：一段電壓140 V、時(shí)間30 s，二段電壓290 V、時(shí)間150 s，電泳溫度32 °C，溶劑含量0.5%。

4 硅烷工藝對(duì)電泳粗糙度的影響

硅烷溫度、活化點(diǎn)、銅離子含量為硅烷日常監(jiān)測(cè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)的變化均會(huì)影響硅烷的反應(yīng)速率，硅烷溫度、活化點(diǎn)的升高均直接影響硅烷薄膜的形成，進(jìn)而影響硅烷薄膜的質(zhì)量，銅離子則能有效促進(jìn)硅烷薄膜致密化，改變車身外板導(dǎo)電性。這些控制參數(shù)在不同狀態(tài)下對(duì)電泳粗糙度將產(chǎn)生正面或者負(fù)面的影響。

4.1 硅烷溫度的影響

由化驗(yàn)室配制硅烷處理液(活化點(diǎn)6.0，銅離子0.5 mg/kg)，在5個(gè)不同槽液溫度(20、25、30、35和40 °C)下對(duì)試板進(jìn)行薄膜處理3 min，電泳后烘干，粗糙度的測(cè)量結(jié)果如圖4所示。溫度升高，電泳粗糙度呈先略降后緩慢升高的趨勢(shì)，整體變化并不明顯，建議溫度控制在20 ~ 30 °C。

圖4 不同硅烷溫度下電泳的粗糙度Figure 4 Roughness of electrophoretic coatings prepared after silane treatment at different temperatures

4.2 硅烷活化點(diǎn)的影響

活化點(diǎn)對(duì)硅烷的成膜速率有影響。配制不同活化點(diǎn)(4.0、4.5、5.0、5.5或6.0)的硅烷液(固定銅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5 mg/kg)，進(jìn)行薄膜處理3 min(溫度均為25 °C)，電泳后烘干，使用粗糙度儀對(duì)試板進(jìn)行粗糙度測(cè)量，結(jié)果見圖5。隨著活化點(diǎn)升高，電泳粗糙度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，即較低或較高的活化點(diǎn)均會(huì)使粗糙度提高，不同現(xiàn)場(chǎng)可自行驗(yàn)證。本研究確認(rèn)的活化點(diǎn)為5.0，以此進(jìn)行工藝管理。

圖5 不同活化點(diǎn)下電泳的粗糙度Figure 5 Roughness of electrophoretic coatings prepared at different activation points

4.3 硅烷處理液中銅離子的影響

實(shí)驗(yàn)室配制不同銅離子濃度含量的硅烷處理液，活化點(diǎn)控制為5.0，槽液溫度為25 °C，分別將銅離子控制在0.5 ~ 3.0 mg/kg的梯度下，即分別為0.5、1.0、1.5、2.0和3.0 mg/kg，進(jìn)行薄膜處理3 min，電泳后烘干，測(cè)得試板的粗糙度如圖6所示。通過對(duì)比可知，銅離子含量在1.5 ~ 2.0 mg/kg時(shí)，粗糙度較低，銅離子含量低于此范圍時(shí)，粗糙度開始增大；銅離子超過2.0 mg/kg后，粗糙度呈增大趨勢(shì)。這是因?yàn)橐欢舛鹊你~離子在硅烷反應(yīng)中能起到促進(jìn)薄膜反應(yīng)的作用，使形成的硅烷膜更加致密，車身表面導(dǎo)電性更均勻，入槽前薄膜電阻更平均，電泳通電反應(yīng)時(shí)能降低車身外板反應(yīng)速率差異，使車身上膜速度均勻，從而有效降低粗糙度。目前確認(rèn)銅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)以1.5 ~ 2.0 mg/kg為佳。

圖6 以不同銅離子含量的硅烷液處理后電泳的粗糙度Figure 6 Roughness of electrophoretic coating prepared after silane treatment with different copper ion contents

5 優(yōu)化參數(shù)的確認(rèn)

經(jīng)上述驗(yàn)證，確定硅烷前處理的最佳參數(shù)為：溫度25 °C，活化點(diǎn)5.0，銅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5 mg/kg。另外，鎖定了前處理硅烷銅離子含量及電泳溫度對(duì)電泳粗糙度的改善較為明顯，電泳車身粗糙度由最初的0.476 μm降低到0.265 μm，現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵參數(shù)的最佳范圍見表3。

表3 優(yōu)化后的前處理電泳工藝參數(shù)范圍Table 3 Optimized ranges of pretreatment electrophoresis parameters

6 結(jié)語

電泳一段電壓降低并延長(zhǎng)一段電泳時(shí)間，以及提高電泳溫度和電泳溶劑含量，可在一定程度上降低電泳粗糙度，但粗糙度整體改變較小。硅烷溫度、活化點(diǎn)、銅離子含量不同，反映在電泳車身上的粗糙度數(shù)據(jù)上的波動(dòng)也較為明顯。

日常管理中可通過優(yōu)化硅烷工藝，對(duì)電泳粗糙度進(jìn)行改善，使電泳粗糙度達(dá)到優(yōu)秀的水平，最大限度降低對(duì)面涂外觀的影響。本文經(jīng)優(yōu)化硅烷處理的工藝參數(shù)后所得電泳漆膜的粗糙度為0.265 μm，達(dá)到免中涂工藝的情況下改善面漆橘皮質(zhì)量，提高油漆表面平整度的目標(biāo)。